第三章 起重機計算載荷與許用應(yīng)力

起重機械與吊裝第三章起重機計算載荷與許用應(yīng)力

第一節(jié)載荷的分類

作用在起重機上的外載荷有起升載荷、起重機自重載荷、不穩(wěn)定運動時的動載荷、風載荷、坡度載荷、通過不平的軌道接頭時的沖擊載荷、車輪側(cè)向載荷、碰撞載荷、安裝和運輸載荷以及某些工藝性載荷等。

由于起重機的外載荷種類很多而且變化不定，因此進行設(shè)計計算時，只能選擇與起重機零部件或結(jié)構(gòu)破壞形式有關(guān)的、具有典型性的載荷作為依據(jù)，這種載荷通常稱為計算載荷。在起重機設(shè)計計算方法中，對于起重機的零部件或結(jié)構(gòu)進行以下三類計算。①疲勞、磨損或發(fā)熱的計算。②強度計算。③強度驗算。與這三類計算相適應(yīng)，起重機的計算載荷有下列三種組合。一、I類載荷(正常工作情況下的工作載荷)

又稱壽命計算載荷。這是用來計算零部件疲勞、磨損和發(fā)熱的一種計算載荷。它所要考慮的是起重機在正常工作情況下產(chǎn)生的載荷。這種載荷，不僅要計及載荷大小，還要計及其作用時間。一般針對應(yīng)力反復(fù)作用次數(shù)超過一定值(一般大于l05)的零部件，需要進行疲勞強度計算(見表3—1)。工作狀態(tài)零件名稱工作類型每旋轉(zhuǎn)一周完成一次應(yīng)力循環(huán)的零件齒輪、鏈輪、蝸輪、車輪、轉(zhuǎn)動的心軸、主要承受彎曲載荷的轉(zhuǎn)軸輕級(n>5r／min)、中級、重級、特重級機構(gòu)每開動一次完成一次應(yīng)力循環(huán)的零件運行、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷的轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器中級、重級、特重級起重機每個工作循環(huán)應(yīng)完成一次應(yīng)力循環(huán)的零件吊鉤及其他吊具、固定的心軸、起升機構(gòu)中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷的轉(zhuǎn)軸重級、特重級表3-1需要進行疲勞強度計算的零件二、Ⅱ類載荷(工作狀態(tài)下的最大載荷組合)

又稱強度計算載荷。這是用來計算零部件或金屬結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性以及起重機整體穩(wěn)定性及輪壓的計算載荷。它所要考慮的是起重機在正常工作條件下最不利的載荷組合，如滿載、上坡、迎風時起重機起動的載荷組合。一般說來，對起重機的所有受力零部件都要用Ⅱ類載荷進行強度計算。三、Ⅲ類載荷(非工作狀態(tài)下的最大載荷)

又稱驗算載荷。這是指起重機處于非工作狀態(tài)下可能出現(xiàn)的最大載荷(如暴風載荷、船上起重機由于波浪引起的船舶顛簸載荷等)，或工作時發(fā)生的事故載荷(如起重機全速碰撞產(chǎn)生的載荷)。這種載荷用來驗算起重機的固定設(shè)備(如夾軌器)、變幅機構(gòu)、支承旋轉(zhuǎn)裝置的某些零件和金屬結(jié)構(gòu)的強度以及起重機不工作時的整體穩(wěn)定性。產(chǎn)生這類載荷時起重機是不工作的，或雖在工作但出現(xiàn)的機會極少，因此，按此類載荷驗算靜強度時，可取較小的安全系數(shù)。第二節(jié)載荷的計算

本節(jié)介紹幾種常見載荷的計算方法。一、起升載荷起并載荷包括起升物品的重量和隨物品升降的取物裝置或機構(gòu)的重量，即

Q起=Q+Q0(3—1)

式中Q起——起重載荷；

Q一起升物品的重量；

Q0——隨物品升降的取物裝置或機構(gòu)的重量。Q0中包括大起升高度(H>50m)起重機的鋼絲繩重量以及某些冶金起重機中和物品一同升降的取物裝置或機構(gòu)的重量。二、起重機自重載荷

自重包括機械、金屬結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)備等組成部分的重量。自重的分配根據(jù)結(jié)構(gòu)情況而定。機械及電氣設(shè)備重量一般可看成是集中載荷，桁架自重可假定分布在相應(yīng)的結(jié)點上，箱形結(jié)構(gòu)可看成是連續(xù)分布的。三、動載荷

動載荷是起重機機構(gòu)運動狀態(tài)改變時(如起動或制動)產(chǎn)生的振動載荷和慣性載荷的總稱。不同的機構(gòu)、結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境、工作情況，得到的動載荷也不相同。（一）、機構(gòu)傳動零部件的最大動載荷（二）、金屬機構(gòu)及某些承載零部件的最大動載荷（三）、起重運輸及吊裝工藝設(shè)計中的計算載荷（一）、機構(gòu)傳動零部件的最大動載荷對電動起重機，傳動零部件的最大動載荷可按下式確定，即

Mmax=ψIIM零額

(3—2)式中Mmax——所計算的零部件傳遞的最大力矩；

M零額——電動機額定力矩換算到所計算零部件上的力矩；

ψII——第Ⅱ類載荷的動力系數(shù)。對輕、中級機構(gòu)的M零額應(yīng)按JC=25％時的電動機額定力矩計算；對重級、特重級機構(gòu)的M零額應(yīng)按JC=40％時的電動機額定力矩計算；初步計算時，動力系數(shù)ψII可按表3—2選取。表3-2傳動零部件的動力系數(shù)ψII值／m.min-1零件名稱機構(gòu)名稱起升機構(gòu)按主起升速度分運行機構(gòu)按運行速度分旋轉(zhuǎn)機構(gòu)按臂架端點切向速度分<78～1516～40>40<lO20～50>5050～100>100～200>200～350>350低速軸零件1.101.201.301.501.502.002.501.501.852.202.60減速器高速軸1.301.401.501.602.20其余高速軸2．OO2．OO(二)金屬結(jié)構(gòu)及其他承載零部件的最大動載荷金屬結(jié)構(gòu)和其他承載零部件(如吊耳等)承受物品重力及風載荷等的直接作用。這些構(gòu)件的最大載荷，要根據(jù)工作中可能出現(xiàn)的最不利的外載荷組合進行計算。這些載荷中最重要的是包括額定起重量在內(nèi)的起升機構(gòu)工作時引起物品動載荷、風載荷以及運行、變幅和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)起、制動時產(chǎn)生的慣性載荷。其動力系數(shù)按圖3—1、圖3-2查得。圖3—1門座起重機金屬結(jié)構(gòu)及其他承載構(gòu)件的動力系數(shù)

1一抓斗起重機；2一吊鉤起重機圖3—2橋式類型起重機的動力系數(shù)

1一抓斗起重機；2一吊鉤起重機(三)起重運輸及吊裝工藝設(shè)計中的計算載荷

在設(shè)備的起重運輸及吊裝工藝設(shè)計中采用的計算載荷，包括動載荷與受力不均衡載荷兩種。設(shè)計計算中常利用動載系數(shù)(動力系數(shù))K1、不均衡系數(shù)K2乘以靜載荷，來近似地代替設(shè)備或起重機具在沖擊振動情況下的動載荷與不均衡對稱工作情況下的不均衡載荷。

1．計算動載荷在設(shè)備的起吊、牽引、運輸過程中，因機械傳動和操作人員的突然起動或剎車，均能增大設(shè)備本身及起重機索具所承受的載荷。因此，在選擇或驗算起重機索具強度以及設(shè)備本體強度時，應(yīng)將設(shè)備自重以及根據(jù)吊裝工藝設(shè)計中由靜力平衡原理計算出的各機索具的受力，乘以動載系數(shù)K1作為吊裝工藝設(shè)計中該機索具所承受的計算動載荷。視工作情況而定的動載系數(shù)K1見表3—3。表3-3視工作情況而定的動載系數(shù)K1驅(qū)動方式及運行條件手動機動輕級中級重級動載系數(shù)K11．OO1.101.301.50

此外，設(shè)備在運輸過程中，因道路不平引起運輸車輛振動，使設(shè)備本身靜自重增大。因此在驗算設(shè)備強度時，應(yīng)將其自重乘以動載系數(shù)K1，作為運輸工藝設(shè)計中的計算自重。設(shè)備運輸時的動載系數(shù)K1見表3-4。表3-4設(shè)備運輸時的動載系數(shù)K1

設(shè)備運輸方式K1

設(shè)備運輸方式K1

用小膠皮輪車人力曳運時用膠皮輪大車馬拉曳運時1.21.25

用載重汽車載運時用火車載運時1.31.22.計算不均衡載荷

當利用人字桅桿、雙分支、四分支吊索或雙桅桿起吊設(shè)備時，因現(xiàn)場具體條件的不同，往往存在著下述各種受力不平衡因素。

(1)由于桅桿制作或組合的不完全對稱，受力后引起分支單桅桿的受力不均衡。

(2)由地質(zhì)變化而產(chǎn)生的桅桿不均勻沉陷，引起各分支吊索的受力不均衡。

(3)由于各分支綁固的吊索長短、松緊不完全相同，因而引起各分支吊索的受力不均衡。

(4)當用多臺卷揚機起吊設(shè)備時，因卷揚機卷筒直徑、轉(zhuǎn)速等不一樣，卷揚機操作人員起動、停車不一致，動作不協(xié)調(diào)，均能引起各套牽引裝置和制動裝置的受力不均衡。因此；在選擇和驗算各起重吊索具時，應(yīng)將吊裝工藝設(shè)計計算中由靜力平衡原理計算出的各起重吊索具受力，乘以不均衡系數(shù)K2。一般K2＝1.2。3．綜合計算載荷

綜上所述，在設(shè)備起吊、運輸或牽引過程中，可能同時承受沖擊振動影響與不均衡載荷影響的各起重吊索具，在選擇和驗算強度時，應(yīng)將設(shè)備起重運輸和吊裝時以靜力平衡原理算出的各起重吊索具的受力，連乘以動載系數(shù)K1和不均衡系數(shù)K2，作為吊索具或設(shè)備所承受的綜合計算載荷。要求綜合計算的載荷等于或小于該設(shè)備或該起重吊索具的容許最大使用應(yīng)力或安全承載力。四、風載荷

(一)風載荷的計算公式露天工作的起重機應(yīng)按下式計算風載荷P風(N)，即、

P風一∑CKhqA(3—3)式中C——風力系數(shù)(風載體型系數(shù))，見表3-5；

Kh——風力高度變化系數(shù)，見表3-6；

q——計算風壓值，N／m2，第I、Ⅱ、Ⅲ類計算載荷的風壓值分別記為qⅠ、qⅡ、qⅢ，見表3—7；

A——起重機結(jié)構(gòu)或物品垂直于風向的迎風面積，m2。

(二)風力系數(shù)C的確定風載體型系數(shù)與擋風結(jié)構(gòu)物的表面形狀有關(guān)，可近似地按表3-5選取。離地(海)面高度／m102030405060708090100110120130140150200陸上(h/10)0.31．001.231.391.511.621.711.791.861.931.992．052.112.162.202.252.45海上及海島(h/10)0.21．001.151.251.321.381.431.471.521.551.581.611.641.671.691.721.82表3-6風力高度變化系數(shù)Kh值表3-5單片結(jié)構(gòu)的風力系數(shù)C結(jié)構(gòu)形式C型鋼制成的平面桁架(充實率≠一0.3～o．6)1.6型鋼、鋼板、型鋼梁、鋼板梁和箱形截面構(gòu)件L／h51.3101.4201.6301.7401.8501.9圓管及管結(jié)構(gòu)Qd2<11.31<31.271.0100.9>130.7封閉的司機室、機器房、對重、鋼絲繩及物品等1.1～1.2(三)標準風壓值q的確定

1．第Ⅱ類載荷的風壓值qⅡ9Ⅱ值按相當天地空曠地區(qū)10m高處的6級(對沿海地區(qū))或5級(對內(nèi)陸地區(qū))的瞬時風壓值計算，但計算時不考慮風振系數(shù)。

2．第Ⅲ類載荷的風壓值qⅢ9Ⅲ值按10m高處30年一遇的最大的10min平均風壓值確定。起重機標準風壓值見表3—7。地區(qū)工作狀態(tài)計算風壓非工作狀態(tài)計算風壓風速／m/SqIqⅡqⅢ內(nèi)陸15.50.6qⅡ150500～600沿海20250600～1000臺灣省及南海諸島202501500表3-7起重機標準風壓值(GB3811—83)／N·m一2(四)迎風面積A的計算

1．起重機迎風面積的計算起重機結(jié)構(gòu)或物品的迎風面積按起重機組成部分或物品的凈面積在垂直于風向平面的投影來計算，即

A一ΦA(chǔ)輪

(3-4)式中A輪——起重機組成部分的輪廓面積在垂直于風向平面上的投影，m2；

Φ——起重機金屬結(jié)構(gòu)或機構(gòu)的充滿系數(shù)，即結(jié)構(gòu)或機構(gòu)的凈面積與其輪廓面積之比。

常用結(jié)構(gòu)形式的Φ值如下。①由型鋼或鋼板制成的桁架或空腹結(jié)構(gòu)：Φ=0.2～0.6。②管子桁架結(jié)構(gòu)(無斜桿的桁架取小值)：Φ=0.2～0.4。③實體板結(jié)構(gòu)：Φ=1④機構(gòu)：Φ=0.8～1.0。

當兩個或兩個以上的結(jié)構(gòu)并列，其迎風面積相互重疊時(見圖3-3)，第二個和第二個以后的被前面遮擋的迎風面積減小，減小的程度用折減系數(shù)η表示(見表3-8)。Φ0.10.20.30.40.50.6間隔比b／h10.840.700.570.400.250.1520.870.750.620.490.330.2030.900.780.640.530.400.2840.920.810.650.560.440.3450.940.830.670.580.500.4160.960.850.680.600.540.46

表3-9箱形截面構(gòu)件擋風折減系數(shù)η

表3-8桁架結(jié)構(gòu)擋風折減系數(shù)ηB/H≤456η00.10.3如圖3-3所示，兩片重疊的桁架，當風向垂直于桁架面時，總擋風面積為

A∑=Φ1A1+ηΦ2A2(3—5)式中A1——第一片桁架的輪廓面積；

A2——第二片桁架的輪廓面積；

Φ1——第一片桁架的充滿系數(shù)；

Φ2——第二片桁架的充滿系數(shù)；

η折減系數(shù)，根據(jù)比值b／h由表3—8、表3-9查得(h為桁架高度，b為兩片桁架間的垂直距離)。兩個箱形梁重疊時也可按上式計算，但間距b應(yīng)是兩箱形梁內(nèi)側(cè)的間距(見圖3—3(b))。a)桁架(b)平行的箱形梁圖3—3兩個擋風面重疊時的擋風面積計算簡圖2．起重機小車和物品的迎風面積起重機小車和物品的迎風面積按它們實際的輪廓尺寸決定。物品的迎風面積可參考表3-10，根據(jù)物品質(zhì)量近似地估計。物品質(zhì)量／t12356.381012.515162025303240迎風面積／m212356781012151822物品質(zhì)量／t50637580100125150160200250280300320400迎風面積／m22528303540455565707580第三節(jié)強度計算與安全系數(shù)

起重機的零件和金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)按工作狀態(tài)下的最大載荷進行強度計算。強度計算按下列公式進行。對塑性材料(鋼、鋁合金等)為σ≤[σ]＝σs/n(3—6)

對脆性材料(鑄鐵、青銅等)為σ≤[σ]＝σb/n’(3—7)

式中σ——零件危險截面的最大應(yīng)力，求盯值時須考慮動載的作用，但不考慮應(yīng)力集中；

(σs——材料的屈服限；

σb——材料的強度限；

n——塑性材料的安全系數(shù)，按第工類載荷計算時為nI，按第Ⅱ類載荷計算時為nⅡ，按第Ⅲ類載荷計算時為nⅢ，按特殊載荷計算時為n0，見表3—11；

N